Verfahren zur Herstellung von Polyarylensulfiden mit erniedrigter Kristallisationstemperatur

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Polyarylensulfiden mit erniedrigter Kristallisations­temperatur.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Polyarylensulfiden mit erniedrigter Kristallisations­temperatur.

[0002] Polyarylensulfide und ihre Herstellung sind bekannt (z.B. US-PS 2 513 188).

[0003] Polyarylensulfide sind teilkristalline thermoplastisch­verarbeitbare Polymere mit hoher Wärmeformbeständigkeit. Außerdem sind sie gegenüber Chemikalien sehr beständig.

[0004] Für spezielle Anwendungen, beispielsweise wenn eine frühzeitige Verfestigung der Fließfront des ge­schmolzenen Polymeren beim Ausgießen von Formen ver­mieden werden soll, ist eine verzögert einsetzende Kristallisation des geschmolzenen Polymeren vorteil­haft.

[0005] Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zur Herstellung von hochkristallinen Polyarylensulfiden mit erniedrigter Kristallisationstemperatur, die gegebenen­falls verzweigt sein können, durch Umsetzung von

a) 75-99,5 Mol-% Dihalogenaromaten der Formel

in der
X für zueinander para-ständiges Halogen wie Chlor oder Brom steht und
R¹ gleich oder verschieden ist und Wasserstoff, C₁-C₄-Alkyl, C₅-C₁₀-Cycloalkyl, C₆-C₁₀-Aryl, C₇-C₁₄-Alkylaryl, C₇-C₁₄-Arylalkyl sein kann, wobei jeweils zwei zueinander orthoständige Rest R¹ unter Einbeziehung der C-Atome im Ring, an die sie gebunden sind, zu einem aromatischen oder heterocyclischen Ring mit 5 bis 6 Ringatomen verknüpft sein können, wo­bei bis zu drei Ring C-Atome durch O, S oder N ersetzt sein können,

b) 0 bis 5 Mol-%, bevorzugt 0 bis 1,25 Mol-%, bezogen auf die Dihalogenaromaten der Formel I, eines Tri- oder Tetrahalogenaromaten der Formel
ArX_n      (II),
in welcher
Ar ein aromatischer Rest mit 6 bis 14 C-Atomen oder heterocyclischer Rest mit 6 bis 14 C-­Atomen ist, wobei bis zu 4 Ringer C-Atome durch Heteroatome wie N, O oder S ersetzt sein können,
X für Halogen wie Chlor oder Brom steht und
n für die Zahl 3 oder 4 steht,

c) üblichen Kettenabbrechern

d) Alkalisulfiden, bevorzugt Natrium- oder Kalium­sulfid oder deren Mischung, zusammen mit Alkali­hydrogensulfiden, bevorzugt Natrium- oder Kalium­hydrogensulfid oder deren Mischung, in Form ihrer Hydrate oder wäßrigen Mischungen gegebenenfalls zusammen mit Katalysatoren oder anderen Hilfs­stoffen in einem Lösungsmittel und

e) 0,5 bis 25,bevorzugt 0,5 bis 10, besonders bevorzugt 1 bis 7,5 Mol-% eines Comonomeren oder einer Mischung verschiedener Comonomeren bei einem Druck von 1 bis 50 bar, dadurch gekennzeichnet, daß die Comonomeren ausgewählt sind aus der Gruppe
3,4-Dichlordiphenylsulfon, 3,4-Dichlorbenzophenon, N-(3,4-dichlorphenyl)-phthalimid, 4,4ʹ-Dichlor­triphenylamin, N-Phenyl-4,5-dichlorphthalimid, N-­(3,4-dichlorphenyl)-hexahydrophthalimid, 2,4-­Dichlor-6-phenyltriazin-(1,3,5), 2,3-Dichlor­chinoxalin, 2,3-Dichlor-6-methyl-chinoxalin, N-­(3,4-dichlorphenyl)-3,4-diphenyldicarbonsäureimid und/oder 2,6-Dichlorbenzothiazol.

[0006] Beispiele für erfindungsgemäß einzusetzende Dihalogen­aromaten der Formel (I) sind:

[0007] 1,4-Dichlorbenzol, 1,4-Dibrombenzol, 1-Brom-4-chlor­benzol, 2,5-Dichortoluol, 2,5-Dichlorxylol, 1,4-Dichlor-­2-ethylbenzol, 1,4-Dibrom-2-ethylbenzol, 1-Brom-4-chlor­ethylbenzol, 1,4-Dichlor-2,3,5,6-tetramethylbenzol, 1,4-­Dichlor-2-cyclohexylbenzol, 1,4-Dichlor-2-hexylbenzol, 2,5-Dichlordiphenyl, 2-Benzyl-1,4-dichlorbenzol, 2,5-­Dibromdiphenyl, 2,5-Dichlor-4ʹ-methyl-diphenyl, 2,4-­Dibrom-4ʹ-methyl-diphenyl. Sie sind allein oder im Gemisch miteinander einsetzbar.

[0008] Besonders bevorzugt sind 1,4-Dichlorbenzol und/oder 1,4-­Dibrombenzol.

[0009] Geeignete Lösungsmittel sind polare organische Lösungs­mittel z.B. Lactame wie N-Alkyllactame, beispielsweise N-Methylpyrrolidon, N-Ethylpyrrolidon, N-Isopropyl­pyrrolidon, N-Methylpiperidon, N-Methylcaprolactam, N-­Ethylcaprolactam, oder N,Nʹ-Dimethylimidazolidinon, 1-­Methyl-1-oxo-phospholan oder deren Gemische.

[0010] Der Siedepunkt der Lösungsmittel sollte bei 200 bis 350° C liegen.

[0011] Als übliche Kettenabbrecher können verwendet werden

1) aromatische Monohalogenverbindungen wie z.B. Chlorbenzol, Brombenzol, 4-Chlortoluol, 4-Brom­toluol, 4-Chlorbiphenyl, 4-Chlordiphenylsulfon etc.,

2) Phenole wie z.B. Phenol, para-Cresol, ortho-Cresol, m-Cresol etc.,

3) Thiophenole wie z.B. Thiophenol, n-Methylthiophe­nol, 3-Methylthiophenol, 4-Mercaptobiphenyl etc.

[0012] Als Katalysatoren können Alkalifluoride, Alkaliphos­phate, Alkaliphosphonate, Alkalisulfite, Alkaliacetate etc. verwendet werden.

[0013] Die Umsetzung kann in verschiedener Weise erfolgen:

[0014] Die Alkalisulfide und/oder Alkalihydrogensulfide werden vorzugsweise in Form ihrer Hydrate und wäßrigen Mischun­gen oder wäßrigen Lösungen eingesetzt. Die Reaktions­mischung wird partiell oder vorzugsweise vollständig entwässert. Möglich ist auch die Verwendung von wasser­freien Sulfiden. Das im Umsetzungsgemisch vorhandene Wasser kann direkt oder mit Hilfe von Azeotropbildnern, wobei bevorzugt als Azeotropbildner die Dihalogenaro­maten der Formel (I) eingesetzt werden, abdestilliert werden. Für die Entwässerung können alle Reaktions­ partner gemischt werden und dann wird das Gesamtgemisch entwässert. Das Alkalisulfid und/oder Alkalihydrogen­sulfid kann auch separat mit einem Teilder Reaktions­komponenten oder alleine entwässert werden.

[0015] In einer Ausführungsform der Reaktion werden die Reak­tionspartner gegebenenfalls zusammen mit einem Reak­tionsbeschleuniger bzw. einem Gemisch von Reaktions­beschleunigern in Anwesenheit des polaren Lösungsmittels kontinuierlich, unter gleichzeitiger Entfernung des Wassers zusammengeführt. Bei dieser Verfahrensweise kann eine einsetzende Umsetzung über die Dosierungsraten gesteuert werden. Längere Verweilzeiten des Wassers können so auch vermieden werden.

[0016] Wird völlig entwässert, so kann druckfrei bis zu ca. 10 bar, vorzugsweise 3 bar, Druck umgesetzt werden. Zur Erzielung von höheren Reaktionstemperaturen über den Siedepunkt des Lösungsmittels bzw. der Mischung aus Lösungsmittel und Di- und Polyhalogenaromaten hinaus kann höherer Druck bis zu 50 bar angewendet werden.

[0017] Die Reaktion kann kontinuierlich und diskontinuierlich durchgeführt werden. Die Reaktionszeit kann innerhalb einer weiten Spanne variiert werden. Sie kann 1 bis 48 Stunden, bevorzugt 1 bis 18 Stunden betragen. Die Reak­tionstemperaturen liegen zwischen 150°C und 300°C, vor­zugsweise zwischen 170°C und 280°C.

[0018] Die Zugabe der Comonomeren und Kettenabbrecher kann vor oder während der Entwässerung erfolgen. Eine Zugabe nach beendeter Entwässerung ist ebenfalls möglich. Die Zugabe kann über einen gewissen Zeitraum, z.B. innerhalb der ersten 3 Stunden der Reaktion, portionsweise zu be­stimmten Zeiten des Reaktionsablaufes oder direkt durch Zugabe der berechneten Gesamtmenge zu einem definierten Zeitpunkt der Reaktion erfolgen.

[0019] Die Aufarbeitung des Umsetzungsgemisches und die Iso­lierung der Polyarylensulfide kann in bekannter Weise erfolgen.

[0020] Das Polyarylensulfid kann direkt aus der Umsetzungs­lösung oder erst z.B. nach Zugabe von Wasser und/oder verdünnten Säuren nach den üblichen Verfahrensweisen abgetrennt werden, beispielsweise durch Filtration oder durch Zentrifugieren. Nach der Abtrennung des Polyary­lensulfids schließt sich im allgemeinen eine Wäsche mit Wasser an. Eine Wäsche oder Extraktion mit anderen Waschflüssigkeiten, die auch zusätzlich oder nachträg­lich zu dieser Wäsche durchgeführt werden kann, ist auch möglich.

[0021] Das Polyarylensulfid kann auch beispielsweise durch Ab­destillieren des Lössungsmittels und eine anschließende Wäsche, wie oben beschrieben, gewonnen werden.

[0022] Das Polyarylensulfid kann auch durch Eintragen in or­ganische Lösungsmittel, beipsielsweise in Alkohole wie Ethanol, Methanol, 1-Propanol, 2-Propanol, in Ketone wie Aceton, Methylethylketon gefällt und anschließend von Verunreinigungen befreit werden.

[0023] Die Aufarbeitung ist sowohl kontinuierlich als auch diskontinuierlich möglich.

[0024] Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Polyarylensulfide zeichnen sich durch eine schon bei tieferer Temperatur (ca. 150 - 250° C) einsetzende Kri­stallisation bei im wesentlichen gleicher Kristallinität und unverändertem Schmelzverhalten aus. Dies erleichtert z.B. die Verarbeitung zu Folien, Fasern und Spritzguß­teilen mit langer Fließlänge oder kleinen Querschnit­ten.

[0025] Die erfindungsgemäß hergestellten Polyarylensulfide kö­nen mit anderen Polymeren, Pigmenten und Füllstoffen, beispielsweise Graphit, Metallpulver, Glaspulver, Quarz­mehl, Quarzgut, Glasfasern und Kohlefasern gemischt oder mit den für Polyarylensulfiden üblichen Stabilisatoren oder Entformungsmitteln versetzt werden.

[0026] Im allgemeinen wird das Schmelzfließverhalten der Poly­arylensulfiden nach ASTM 1238-70 bei 316°C unter Verwen­dung eines 5 kg-Gewichtes gemessen und in g/10 min an­gegeben.

[0027] Bei hohen Schmelzflußwerten kann diese Messung jedoch aufgrund der hohen Ausflußrate der Polymerschmelze Schwierigkeiten bereiten.

[0028] Es wurde deshalb die Schmelzviskosität η_m der Polymer­schmelze (in Pa.s) bei 306°C in Abhängigkeit von der Schubspannung (in Pa) mit Hilfe eines Instron-Rotations­viskosimeters bestimmt.

[0029] Man kann auf diese Weise die Schmelzviskosität in einem sehr weiten Bereich von 10¹ bis 10⁷ Pa.s bestimmen. In dem Instron-Rheometer wird das Polymer zwischen einer festen Platte und einem drehbaren Kegel geschmolzen und das Drehmoment des Kegels bestimmt. Aus dem Drehmoment, der Winkelgeschwindigkeit und den apparativen Daten kann die Schmelzviskosität in Abhängigkeit von der Schub­spannung errechnet werden. Verwendet wurde das Rheometer Modell 3250 der Fa. Instron.

[0030] Angegeben wird die Schmelzviskosität, die bei einer Schubspannung von τ = 10² Pa gemessen wird.

[0031] Die angegebenen Schmelz- und Kristallisationspunkte [°C] wurden durch DSC (= "differential scanning calorimetry") auf einem kommerziell erhältlichen Maßgerät bei Aufheiz-­bzw. Abkühlraten von 20 K/min gemessen.

[0032] Die erfindungsgemäßen Polyarylensulfide besitzen direkt nach der Isolierung aus dem Reaktionsgemisch im allge­meinen Schmelzviskositäten von 0,1.10¹ bis 5.10⁴ Pa.s, vorzugweise 0,1.10¹ bis 1,5.10³ Pa.s. Sie können direkt durch Extrusion, extrusionsblasen, Spritzgießen oder sonst übliche Verarbeitungstechniken zu Folien, Fasern oder Formkörpern verarbeitet werden. Diese können in üblicher Weise Verwendung finden, z.B. als Automobil­teile, Armaturen, Elektroteile, z.B. Schalter, elektro­nische Tafeln, elektronische Bauteile, chemikalien­reistente und verwitterungsstabile Teile und Apparate wie Pumpengehäuse und Pumpenflügelräder, Ätzbadschalen, Dichtungsringe, Teile von Büromaschinen und Fernmelde­einrichtungen sowie Haushaltsgeräten etc.

Beispiel 1 (Vergleichsbeispiel)

[0033] In einem 5 1-Reaktionskessel, der mit einem Thermometer, Rührer, kühlbarer Kolonne, Destillatteiler, Rückfluß­kühler und zwei Tropftrichtern ausgerüstet ist, werden unter Stickstoff 2693,0 g N-Methylcaprolactam, 608,7 g 1,4-Dichlorbenzol und 27,3 g Phenol vorgelegt und zum Rückfluß erwärmt. Dazu wird eine Lösung von 1147,5 g Natriumsulfidhydrat, 4,4 g Natriumhydroxid und 141,1 g Caprolactam so zugetropft, daß das zugeführte Wasser gleichzeitig azeotrop mit 1,4-Dichlorbenzol abdestil­lieren kann. Gleichzeitig werden weitere 608,7 g 1,4-­Dichlorbenzol zur Reaktionsmischung kontinierlich zugegeben. Zur Erhaltung der Stöchiometrie wird ab­destillierendes 1,4-Dichlorbenzol nach Abtrennung des Wassers wieder in den Ansatz zurückgeführt. Nach be­endeter Zugabe und beendeter Entwässerung wird die Kolonne auf Rückfluß gestellt, der Ansatz weitere 10 Stunden zum Rückfluß erhitzt und das Produkt an­schließend in üblicher Weise isoliert. (Werte der DSC-­Messung siehe Tabelle).

Beispiel 2

[0034] Wie Beispiel 1, jedoch ohne Phenol. Außerdem werden nur 566,1 g 1,4-Dichlorbenzol vorgelegt. Zusätzlich werden 47,7 g 3,4-Dichlordiphenylsulfon und 63,0 g 4-Chlor­diphenylsulfon vorgelegt.

Beispiel 3

[0035] Wie Beispiel 2, jedoch wurden anstelle von 4-Chlordi­phenylsulfon 35,1 g Phenol eingesetzt.

Beispiel 4

[0036] Wie Beispiel 3, jedoch wurden anstelle von 3,4-Dichlor­diphenylsulfon 48,5 g N-(3,4-Dichlorphenyl)-phthalimid im Anschluß an die Entwässerung zugegeben.

Beispiel 5

[0037] Wie Beispiel 1, jedoch ohne Phenol und zusätzlich 52,0 g 4,4ʹ-Dichlor-triphenylamin. Außerdem wurden noch 584,4 g 1,4-Dichlorbenzol zudosiert.

Beispiel 6

[0038] Wie Beispiel 5, jedoch wurden anstelle von 4,4ʹ-Dichlor­triphenylamin 41,9 g 2,6-Dichlor-benzothiazol vorge­legt.

Beispiel 7

[0039] Wie Beispiel 5, jedoch wurden anstelle von 4,4ʹ-Dichlor­triphenylamin 37,5 g 2,4-Dichlor-6-phenyl-triazin ein­gesetzt.

Beispiel 8

[0040] Wie Beispiel 5, jedoch wurden anstelle von 4,4ʹ-Dichlor­triphenylamin 35,3 g 2,3-Dichlor-6-methyl-chinoxalin eingesetzt.

[0041] Die folgende Tabelle 1) enthält eine Aufstellung der durch DSC-Messung bestimmten Schmelzpunkte (Tm) und der in der Abkühlkurve auftretenden Kristallisationspunkte (Tk), jeweils mit einer Rate von 20 K/min gemessen.

Ansprüche

1) Verfahren zur Herstellung von hochkristallinen Polyarylensulfiden mit erniedrigter Kristal­lisationstemperatur, die gegebenenfalls verzweigt sein können, durch Umsetzung von

a) 75-99,5 Mol-% Dihalogenaromaten der Formel

in der
X für zueinander para-ständiges Halogen wie Chlor oder Brom steht und
R¹ gleich oder verschieden ist und Wasserstoff, C₁-C₄-Alkyl, C₅-C₁₀-Cycloalkyl, C₆-C₁₀-Aryl, C₇-C₁₄-Alkylaryl, C₇-C₁₄-Arylalkyl sein kann, wobei jeweils zwei zueinander orthoständige Reste R¹ unter Einbeziehung der C-Atome im Ring, an die sie gebunden sind, zu einem aromatischen oder heterocyclischen Ring mit 5 bis 6 Ringatomen, wobei bis zu drei Ring-­C-atome durch O, S oder N ersetzt sein können, verknüpft wein können.

b) 0 bis 5 Mol-%, bezogen auf die Dihalogenaro­maten der Formel I, eines Tri-oder Tetraha­logenaromaten der Formel
ArX_n      (II),
in welcher
Ar ein aromatischer Rest mit 6 bis 14 C-­Atomen oder heterocyclischer Rest mit 6 bis 14 C-Atomen ist wobei bis zu 4 Ring C-Atome durch Heteroatome wie N, O oder S ersetzt sein können, ist,
X für Halogen wie Chlor oder Brom steht und
n für die Zahl 3 oder 4 steht,

c) üblichen Kettenabbrechern

d) Alkalisulfiden, zusammen mit Alkalihydrogen­sulfiden in Form ihrer Hydrate oder wäßrigen Mischungen, gegebenenfalls zusammen mit Katalysatoren oder anderen Hilfsstoffen in einem Lösungsmittel und

e) 0,5 bis 25 Mol-% eines Comonomeren oder einer Mischung verschiedener Comonomeren, bei einem Druck von 1 bis 50 bar, dadurch gekennzeich­net, daß die Comonomeren ausgewählt sind aus der Gruppe
3,4-Dichlordiphenylsulfon, 3,4-Dichlor­benzophenon, N-(3,4-dichlorphenyl)-phthalimid, 4,4ʹ-Dichlor-triphenylamin, N-Phenyl-4,5-di­chlorphthalimid, N-(3,4-dichlorphenyl)-hexa­hydrophthalimid, 2,4-Dichlor-6-phenyltriazin-­(1,3,5), 2,3-Dichlor-chinoxalin, 2,3-Dichlor-­6-methyl-chinoxalin, N-(3,4-dichlorphenyl)-­3,4-diphenyldicarbonsäureimid und/oder 2,6-­Dichlorbenzothiazol.

2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß 1,4-Dichlorbenzol als Dihalogenaromat der Formel (I) eingesetzt wird.

3) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lactam als Lösungsmittel verwendet wird.